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1、年 矗 坛三 维 几 何 量 非 接 触 测 量 技 术中 国 测 试 技 术 研 究 院 测 量 仪 器 研 究 所 江 舟 周 建 瑜 陈 德 金 覃 欣三 维 几 何 量 非 接 触 式 测 量 是 光 电 检 测 技 术 、 先 进 自 动控 制 理 论 、 计 算 机 控 制 技 术 和 精 密 机 械 相 结 合 的 产 物 , 采 用激 光 跟 踪 技 术 是 实 现 动 态 跟 踪 测 量 最 有 发 展 前 途 的 研 究 方向 之 一 。江 舟硕 士 研 究 生 , 目 前 的 研 究 方 向 为 非接 触 式 侧 及 伺 服 控 制 。 自 年 从事 工 作 以 来 作
2、为 主 要 研 究 人 员 完 成 科技 部 项 目 “ 三 维 测 切 削 机 “ 电 器 系 统设 计 , 成 都 市 经 济 委 员 会 软 件 发 展 专 项“ 基 于 嵌 入 软 核 的 三 坐 标 测机 控 制 核 心 , 。三 维 几 何 量 测 量 的 传 统 方 法 是接 触 式 测 量 , 其 数 据 采 集 方 式 分 为 触发 式 和 连 续 式 两 种 。 触 发 式 数 据 采集 利 用 触 发 式 探 针 进 行 探 测 , 每 次 接触 被 测 物 体 的 表 面 就 获 得 一 个 轮 廓数 据 , 然 后 再 横 向 移 动 一 个 间 距 , 采集 相 邻
3、 的 轮 廓 数 据 , 最 后 构 筑 整 个 表面 的 线 框 模 型 。 连 续 式 数 据 采 集 利用 采 样 头 的 探 针 沿 着 被 测 物 体 表 面以 某 一 切 向 速 度 移 动 , 产 生 对 应 各 坐标 偏 移 量 的 电 流 或 电 压 信 号 , 并 转 换成 对 应 点 的 坐 标 值 。 连 续 式 数 据 采集 速 度 比 触 发 式 有 了 很 大 提 高 , 如 英国 一 公 司 推 出 的 一高 速 数 字 扫 描 机 , 其 扫 描 速度 可 达 点 , 精 度 可 达 林 。接 触 式 测 量 技 术 的 发 展 虽 然 已经 非 常 成 熟
4、, 但 这 类 方 法 还 不 足 以 满足 现 代 科 学 技 术 的 发 展 和 要 求 。基 于 计 算 机 视 觉 的 非 接 触 式 测量 是 现 代 测 试 技 术 的 一 个 重 要 分 支 ,这 种 方 法 是 以 现 代 光 学 为 基 础 , 融合 电 子 学 、 计 算 机 图 像 学 、 信 息 处 理和 计 算 机 视 觉 等 科 学 技 术 为 一 体 的现 代 测 量 技 术 。 相 对 于 传 统 的 接 触式 测 量 方 法 , 它 具 有 很 多 优 点 非 接触 、 扫 描 速 度 快 可 达 点 、扫 描 精 度 高 、 对 细 微 部 分 的 扫 描
5、精 度也 不 受 影 响 。 现 代 三 维 几 何 量 测 量的 研 究 工 作 已 经 越 来 越 集 中 到 基 于机 器 视 觉 的 非 接 触 式 测 量 上 。非 接 触 式 测 方 法非 接 触 测 量 根 据 测 量 原 理 的 不同 , 其 测 量 方 法 也 多 种 多 样 , 即 使 是同 样 的 测 量 原 理 , 也 因 其 使 用 的 特 性不 同 而 呈 现 差 异 。 非 接 触 测 量 方 法有 电 涡 流 法 、 红 外 线 法 、 激 光 法 、 白 光法 、 数 字 摄 影 法 视 觉 等 。 各 种 方法 在 不 同 领 域 有 不 同 应 用 , 红
6、 外 线 法适 用 于 温 度 的 非 接 触 式 测 量 电 涡流 法 适 用 于 振 源 的 振 幅 非 接 触 式 测量 在 三 维 几 何 量 测 量 领 域 , 使 用 较多 的 是 激 光 法 、 白 光 法 和 数 字 照 相 法 。我 所 目 前 正 主 要 致 力 于 激 光 三角 法 和 激 光 干 涉 法 的 三 维 几 何 量 的非 接 触 式 测 量 。激 光 三 角 法 。激 光 三 角 法 是 激 光 视 觉 测 量 方法 的 基 础 , 也 是 激 光 在 工 业 测 量 中 一种 应 用 较 典 型 的 测 量 方 法 , 应 用 非 常广 泛 , 其 原 理
7、 如 图 所 示 。激 光 器 发 出 的 光 线 经 会 聚 透镜 聚 焦 后 入 射 到 被 测 物 体 表 面 ,物 体 移 动 或 者 表 面 变 化 导 致 入 射 光点 沿 着 入 射 光 轴 移 动 。 接 受 透 镜接 受 来 自 入 射 光 点 的 散 射 光 , 并 将 其成 像 在 光 点 位 置 探 测 器 或者 的 敏 感 面 上 。 若 光 点 在 成像 面 上 有 位 移 时 按 式 可 求 出被 测 的 位 移火 七 大护加 一 厂式 中 , 刁 为 激 光 束 光 轴 和 接 收 透 镜 光轴 的 交 点 到 接 收 透 镜 前 主 面 的 距 离肮 空 制
8、造 技 术 , 年 第 期。 ,。 。 。 。 。 。 、 精 密 洲 量 与 侧 试为 接 收 透 镜 后 主 面 到 成 像 面 中 心的 距 离 为 激 光 束 光 轴 与 接 收 透镜 光 轴 之 间 的 夹 角 。圈 激 光 三 角 法 光 路 圈我 所 已 经 将 基 于 数 字 照 相 法 和激 光 三 角 法 的 系 统 成 功 融 合 到 小 型手 动 测 量 机 上 , 组 成 一 套 完 整 的 非 接触 式 坐 标 测 量 系 统 , 并 且 已 经 拥 有 相当 数 量 的 客 户 。激 光 三 角 法 的 缺 点 是 只 能 在 较小 量 程 内 实 现 高 精 度
9、 测 量 , 并 且 对 被测 物 体 的 表 面 有 一 定 的 要 求 , 即 被 测物 体 表 面 散 射 光 的 能 力 足 够 强 。激 光 干 涉 法 。激 光 干 涉 测 量 法 能 够 解 决 大 量程 、 高 精 度 的 测 量 要 求 。 由 于 激 光 的相 干 性 单 色 性 好 , 利 用 光 的 干 涉 原理 , 以 光 源 的 波 长 或 频 率 为 长 度 基准 , 能 够 在 大 量 程 范 围 内 达 到 很 高 的精 度 。 我 所 致 力 于 研 制 以 波 长 为 长度 基 准 的 双 频 激 光 千 涉 仪 。 双 频 激光 干 涉 仪 的 测 量
10、原 理 如 图 所 示 。双 频 激 光 干 涉 仪 是 利 用 光 的 干涉 原 理 和 多 普 勒 效 应 光 线 照 射 到 运动 粒 子 上 , 其 频 率 发 生 变 化 的 现 象产 生 频 差 的 原 理 来 进 行 位 置 检 测 的 。单 频 一 激 光 器 置 于 一 个的 轴 向 磁 场 中 , 由 于 赛 曼 效应 单 色 光 被 分 子 散 射 后 频 率 发 生 改变 的 现 象 , 又 称 为 合 并 散 射 效 应 , 使激 光 的 谱 线 分 解 为 两 个 旋 转 方 向 相反 的 左 右 圆 偏 振 光 , 这 两 束 光 波 的 振幅 相 同 , 频 率
11、 相 差 很 少 , 分 别 为 和几 , 经 分 光 镜 反 射 , 并 通 过 检 偏 器后 射 入 光 电 元 件 , , 接 受 一 个 合成 的 拍 频 信 号 , 几 一 几 的 差 值 是 一 个定 值 , 可 以 作 为 测 量 的 基 准 频 率 气 而 生 , 解 决 了 工 程 现 场 应 用 的 需 要 。几 一 几 。 另 一 部 分 通 过 分 光 镜 的 峡 激 光 干 涉 跟 踪 动 态 测 量 的 方 法的 习 处 , 频 率 为 几 的 光 束 完 全 反 射 是 激 光 技 术 在 测 试 领 域 的 最 新 应 用 。经 滤 光 器 变 为 线 偏 振
12、光 几 , 投 射 到 利 用 这 种 测 量 方 法 建 立 的 激 光 跟 踪固 定 棱 镜 城 后 并 反 射 到 分 光 镜 峡 干 涉 测 量 系 统 很 好 地 满 足 了 无 导 轨的 处 。 频 率 为 几 的 光 束 折 射 经 滤 柔 性 测 量 、 实 时 动 态 跟 踪 测 量 等 新 要光 器 变 为 线 偏 振 光 几 , 折 射 到 可 动 棱 求 , 具 有 非 常 广 阔 的 应 用 前 景 。镜 从 后 也 反 射 到 分 光 镜 的 处 , 激 光 跟 踪 测 量 系 统 通 常 由 激 光两 者 产 生 相 干 光 束 。 若 城 移 动 , 则 干 涉
13、 仪 、 目 标 镜 猫 眼 和 激 光 跟 踪反 射 光 发 生 变 化 而 产 生 多 普 勒 效 应 , 器 部 分 组 成 , 激 光 跟 踪 器 是 整 个 测其 频 差 为 多 普 勒 频 差 乃 。 量 系 统 非 常 关 键 的 组 成 部 分 , 只 有 通频 率 厂 二 丸 士 乙 的 反 射 光 与 频 过 它 才 能 使 千 涉 仪 发 出 的 光 束 随 着率 为 几 的 反 射 光 在 处 汇 合 后 , 经 被 测 目 标 的 运 动 而 改 变 方 向 , 保 证 测检 偏 器 投 入 光 电 器 件 , 得 到 测 量 量 光 束 能 从 目 标 镜 返 回
14、, 与 参 考 光 束频 率 测 几 一 忆 士 乙 的 光 电 流 , 这 进 行 干 涉 , 完 成 对 被 测 物 体 的 跟 踪 ,路 光 电 流 与 经 光 电 元 件 , 后 得 到 频 实 现 动 态 测 量 。 激 光 跟 踪 器 的 有 效差 为 蕃 的 光电 流 , 同 时 经放 大 器 放 大 后进 入 计 算 机 ,经 减 法 器 和 计数 器 , 即 可 算出 差 值 乙 ,并 按 下 式 计算 出 可 动 棱 镜城 的 移 动 速度 和 移 动 距 圈 双 颇 激 光 千 涉 光 路离 争 ,。 记 ,音一 箫 , 二 油 合 幼 分 二式 中 , 入 是 一 激
15、光 的 波 长 ,是 计 算 机 记 录 下 来 的 脉 冲 数 , 将 脉 冲数 乘 半 波 长 即 得 所 测 位 移 的 长 度 。激 光 跟 踪 侧纯 粹 的 双 频 激 光 干 涉 仪 需 要 在现 场 安 装 反 射 镜 和 干 涉 镜 等 组 件 , 由于 安 装 不 方 便 , 并 不 适 用 于 实 际 的 工程 应 用 现 场 , 通 常 用 作 基 准 或 实 验 室的 标 定 仪 器 。 在 这 种 条 件 下 , 基 于 双频 激 光 干 涉 技 术 的 激 光 跟 踪 仪 应 运跟 踪 速 度 和 跟 踪 精 度 决 定 着 整 个 测量 系 统 的 工 作 性 能
16、 和 测 量 精 度 。激 光 跟 踪 器 由 跟 踪 检 测 部 分 、 跟踪 轴 架 部 分 和 伺 服 控 制 部 分 组 成 。跟 踪 检 测 部 分 能 根 据 瞄 准 偏 差 信 号决 定 目 标 运 动 速 度 的 大 小 和 方 向跟 踪 轴 架 部 分 保 证 使 固 定 于 其 上 的反 射 镜 能 够 绕 两 个 互 相 垂 直 并 相 交的 轴 旋 转 , 能 为 高 速 、 高 精 度 、 稳 定 跟踪 提 供 保 证 , 其 结 构 形 式 、 刚 度 、 转 动惯 量 、 摩 擦 力 矩 、 结 构 的 稳 定 性 和 平衡 性 都 将 影 响 整 个 系 统 的 精 度 和 响应 特 性 伺 服 控 制 部 分 是 跟 踪 瞄 准系 统 的 操 作 控 制 环 节 , 不 仅 影 响 整 个系 统 的 稳 定 性 , 而 且 直 接 关 系 到 系 统的 跟 踪 精 度 和 响 应 速 度 。激 光 跟 踪 测 量 的 光 路 如 图 所, 年 第 期 航 空 创 造 技 术年 赢 坛 。 厂 。 一示 , 其 基
